钛铝异质合金激光-MIG复合焊接熔池动力学机制的多物理场数值模拟与实验研究

为解决钛铝异质合金激光-MIG复合焊接（L-MIGHW）中熔池动态行为机制不明、缺陷控制困难等问题，研究人员通过建立多物理场瞬态数值模型，系统研究了温度场演化、气泡迁移、液滴传递等关键动力学特征。结果表明：钛合金组分呈现分层熔化现象，热循环诱导焊缝中心形成平均直径14.82 μm的等轴晶；关键孔底部闭合时气泡捕获是气孔主因，凝固前沿临界速度为2 mm/s；熔池流体呈现钛侧顺时针与铝侧逆时针的双涡流特征。该研究为异质合金高质量焊接提供了理论依据，对航空航天领域应用具有重要意义。

　　

钛合金（Ti6Al4V）和铝合金（2024-T4）作为轻量化高强材料，在航空航天领域具有不可替代的地位。然而，两者物理化学性质差异显著——钛的熔点（1668°C）比铝（660°C）高2.5倍，热导率仅为铝的1/10，这种"热失配"特性导致传统焊接技术难以实现可靠连接。尽管激光焊接（LW）和金属惰性气体焊（MIGW）各有优势，但单独使用时或面临深熔不足（MIGW），或受限于严苛装配要求（LW）。激光-MIG复合焊接（Laser-MIG hybrid welding, L-MIGHW）通过激光-电弧协同效应，理论上能兼顾深熔、高效与强适应性，但钛铝异质合金焊接过程中熔池动态行为的复杂耦合机制仍是制约工艺优化的"黑箱"。

湖南大学的研究团队在《Optics 》发表的研究中，建立了涵盖反冲压力（recoil pressure）、电弧力、表面张力等多元耦合的瞬态数值模型，首次系统揭示了钛铝异质合金L-MIGHW过程的熔池动力学全貌。研究采用三域耦合建模方法（钛合金/铝合金/氩气），通过速度入口-压力出口边界条件实现气-液-固三相交互的精确描述。实验验证采用激光-电弧间距2 mm、入射角85°的配置，结合高速摄像和宏观/微观表征技术。

温度场演化与焊缝形貌
纵向截面分析显示，熔池上部尺寸显著大于下部，后部热梯度较前区降低83%。横向呈现不对称V形截面，钛侧熔深比铝侧大37%，这与钛合金较低的热扩散率直接相关。

气泡迁移与气孔形成机制
关键孔（keyhole）底部闭合时气泡捕获是气孔主因，当凝固前沿速度超过2 mm/s时，气泡被"冻结"形成缺陷。电磁场作用使熔池流速提升12%，有效促进气泡逃逸。

液滴传递动力学
周期性液滴（droplet）以6-8 ms间隔撞击熔池后缘，引发气液界面扰动幅度达0.3 mm，动量传递导致熔池速度瞬时增加14%。

关键孔振荡特性
关键孔呈现以22 Hz为特征的周期性振荡，受反冲压力（峰值8.5 kPa）与表面张力（0.86 N/m）动态平衡调控，振荡幅度与激光功率呈正相关。

熔池涡流结构
钛侧和熔池后部形成顺时针涡流（流速0.8 m/s），铝侧和前部则为逆时针环流（1.2 m/s），这种双涡系统导致熔池尾缘产生显著湍流（湍动能达0.4 J/kg）。

该研究通过多尺度关联分析发现，热循环诱导的26°–63°大角度晶界（high-angle grain boundaries）是焊缝中心等轴晶（平均14.82 μm）的主导特征。数值模型与实验的焊缝轮廓吻合度达92%，特别在预测钛侧熔深偏差仅0.12 mm。这些发现不仅为抑制气孔、裂纹等缺陷提供了量化调控窗口（如凝固速度阈值），更通过揭示钛铝熔体交互规律，为航天器安全座椅连接件等关键部件的制造工艺优化奠定了理论基础。研究提出的多物理场耦合建模框架，可扩展应用于其他高反射率异质材料（如铜-钢）的复合焊接过程仿真。